Ist der Einsatz von enzymatischen Reinigungsmitteln in der Lebensmittelindustrie eine Alternative?

Innovation und die Entwicklung neuer Hygieneprodukte für die Lebensmittelindustrie bieten neue Lösungen für die Reinigung und Desinfektion und verbessern so die Sicherheit, Effizienz und Nachhaltigkeit dieser Prozesse. Die Innovation im Bereich der Reinigung und Desinfektion erforscht die Anwendbarkeit und Leistung neuer Technologien wie Enzyme, Proteine, die als Biokatalysatoren fungieren (beschleunigen chemische Reaktionen wie die Hydrolyse von Biomolekülen). Aufgrund der großen Vielfalt der auf industrieller Ebene verfügbaren Enzyme und der Spezifität der von ihnen katalysierten Reaktionen ist der Einsatz von Enzymen in vielen Bereichen weit verbreitet, z. B. in der Lebensmittelproduktion (z. B. Gerinnung von Milch, Geschmacks- und Texturverbesserung von Käse, Verringerung der Teigkonsistenz und Klärung von Saft), in der Biotechnologie, der Bioremediation von Abwässern, der Biokraftstoffproduktion, der Waschmittelherstellung und sogar im Bereich der Kosmetik (1).

Im Bereich der Waschmittel sind die interessantesten Eigenschaften der Enzyme ihre spezifische Aktivität bei moderaten pH-Werten und ihre biologische Abbaubarkeit. Außerdem werden sie durch Fermentationen von Mikroorganismen in Kulturen gewonnen, so dass sie in ausreichendem Umfang für die industrielle Nutzung hergestellt werden können (2). Aufgrund dieser Eigenschaften ist der Zusatz von Enzymen zu Waschmittelformulierungen möglich und machbar, da nur geringe Mengen an Enzymen erforderlich sind, um die gewünschte Wirkung zu erzielen. So können enzymatische Waschmittel gezielt auf Schmutz oder andere Substrate einwirken, indem sie diese in kleinere Partikel zerlegen und die Wirksamkeit des Waschmittels erhöhen.

Der Wäschereisektor verfügt über mehr als 30 Jahre Erfahrung mit dem Einsatz enzymatischer Waschmittel (3), mit günstigen Ergebnissen in Bezug auf Effizienz, Schmutzentfernung und auch Nachhaltigkeit des Prozesses. In diesem Bereich wurde festgestellt, dass der Einsatz von Enzymen eine Verringerung der Waschzeit und -temperatur ermöglicht, was zu Energie- und Wassereinsparungen führt (4). In der Lebensmittelindustrie stellt sich das Szenario anders dar. Obwohl enzymatische Detergenzien eine umweltfreundliche und hocheffiziente Alternative zu konventionellen Detergenzien darstellen, ist ihr Einsatz für die allgemeine Reinigung begrenzt, und enzymatische Detergenzien finden ihre Marktnische in spezifischen Anwendungen, wie z. B. der Entfernung von Biofilmen oder Allergenen und der Membranreinigung.

Behandlung zur Biofilmkontrolle

Eine der wichtigsten Anwendungen enzymatischer Detergenzien in der Lebensmittelindustrie ist die Kontrolle von Biofilmen, da diese ein mikrobiologisches Risiko für die Lebensmittelindustrie darstellen. Um die Rolle dieser Produkte bei der Behandlung von Biofilmen zu verstehen, muss man zunächst wissen, was sie sind.

Reversible Adhäsion → Irreversible Adhäsion → Vermehrung und Produktion des Expolymers → Reifung → Dispersion

Biofilme sind mikrobielle Strukturen, die sich auf Oberflächen bilden, wenn Mikroorganismen an ihnen haften und beginnen, sich zu gruppieren, zu teilen und extrazelluläre polymere Substanzen (EPS) abzusondern. Diese Substanzen ermöglichen es den Mikroorganismen, aneinander und an der Oberfläche zu haften und bilden außerdem eine Schutzschicht gegen physikalische und chemische Einwirkungen von außen. Biofilme sind aufgrund dieser EPS-Schicht Strukturen, die mit herkömmlichen Reinigungs- und Desinfektionsmitteln nur sehr schwer zu entfernen sind. Außerdem können sie eine Vielzahl pathogener Mikroorganismen beherbergen, wie z. B. Listeria monocytogenes, Salmonellen oder Campylobacter. Ihr Vorhandensein stellt daher ein erhebliches Risiko für die Lebensmittelindustrie dar.

Biofilme finden an Stellen in der Produktionskette der Lebensmittelindustrie ein ideales Umfeld für ihre Bildung; die Bildung von Biofilmen erfordert das Vorhandensein von Nährstoffen, Feuchtigkeit und Oberflächen, an denen sie haften können. Daher gewinnt die Kontrolle von Biofilmen in den Hygieneplänen der Lebensmittelindustrie zunehmend an Bedeutung. Da es schwierig ist, Biofilme anzugreifen und sie gegen herkömmliche Produkte resistent sind, wurden spezielle Reinigungs- und Desinfektionsprodukte und -protokolle entwickelt, um sie unter anderem mit Hilfe der Enzymtechnologie zu bekämpfen. In diesem Fall enthalten enzymatische Detergenzien eine Kombination von Enzymen, die die EPS-Matrix von Biofilmen aufbrechen und auf Proteine, Lipide und Zucker, die Hauptbestandteile von EPS, einwirken. Das Aufbrechen der EPS-Matrix bedeutet, dass die Schutzschicht der Biofilme entfernt wird und die Mikroorganismen im Inneren der Biofilme der Außenwelt ausgesetzt werden, so dass ein Desinfektionsmittel die Mikroorganismen, die den Biofilm gebildet haben, erreichen, auf sie einwirken und sie eliminieren kann (5).

Bei den in der Lebensmittelindustrie verwendeten enzymatischen Reinigungsmitteln handelt es sich um neutrale Detergenzien, die die Oberflächen nicht beschädigen und für das Personal sicherer sind. Außerdem sind sie biologisch abbaubar und hinterlassen keine Rückstände. Sie werden in der Regel bei Temperaturen zwischen 45 und 55 °C und unter Verwendung der gleichen schäumenden Geräte oder CIP-Systeme wie herkömmliche Reinigungsmittel eingesetzt. Die Anwendungstemperatur ist für enzymatische Reinigungsmittel entscheidend. Da es sich bei Enzymen um Proteine handelt, können die Enzyme bei Temperaturen über 55 °C abgebaut werden und ihre Funktion verlieren. Umgekehrt ist die Leistung des Produkts nicht wie erwartet, wenn es bei niedrigeren Temperaturen angewendet wird.

Es gibt verschiedene Produkte und Protokolle für die Biofilmkontrolle, je nach der erforderlichen Behandlung. Es gibt Schockprotokolle und Präventivprotokolle. Erstere werden angewendet, wenn Biofilmprobleme festgestellt wurden und eine schnelle Entfernung von Biofilmen erforderlich ist. Letztere werden angewandt, um die Bildung neuer Biofilme oder das erneute Auftreten von Biofilmen zu verhindern. Diese Protokolle unterscheiden sich in den verwendeten Produkten oder den Konzentrationen, die angewandt werden, und in der Häufigkeit der Anwendung des Produkts, wobei Schockbehandlungen zeitlich konzentrierter sind und Präventivbehandlungen regelmäßig in einer bestimmten Häufigkeit angewandt werden, die je nach Branche von wöchentlich bis monatlich reichen kann.

Beseitigung von Allergenen

Eine weitere Anwendung der Enzymatik in der Lebensmittelindustrie ist die Entfernung von Allergenen. Allergene sind Proteine aus verschiedenen Lebensmitteln, die eine Reaktion des Immunsystems von Verbrauchern hervorrufen, die auf sie allergisch reagieren: Lebensmittelallergien.

Krustentiere, Eier, Fisch, Erdnüsse, Soja, Milchprodukte, Nüsse, Sellerie, Senf, Sesam, Schwefeldioxid und Sulfite, Weichtiere, Lupinen, Gluten usw.

Derzeit wird das Vorhandensein von Allergenen in Lebensmitteln und deren Deklaration von der EU geregelt (Verordnung (EU) 1169/2011). Anhang II dieser Verordnung beschreibt die 14 wichtigsten Allergene in Lebensmitteln (6). Unter diesen Allergenen sind Gluten, Milchprodukte, Eier, Krustentiere, Soja, Nüsse und Erdnüsse einige der Allergene, gegen die die Mehrheit der Bevölkerung allergisch ist. Spuren dieser Stoffe in einem Produkt können bei den betroffenen Personen eine immunologische Reaktion auslösen. Diese unerwünschte Reaktion kann zu sehr ernsten gesundheitlichen Symptomen und Situationen führen. Aus diesem Grund sollte das Vorhandensein von nicht deklarierten Allergenen auf Lebensmitteletiketten auf Null reduziert werden. Am besten wäre es, wenn die Abwesenheit dieser Allergene in den hergestellten Produkten garantiert werden könnte, was durch spezielle Produktionslinien und die Vermeidung von Kreuzkontaminationen erreicht werden kann.

Eine ordnungsgemäße Hygiene, insbesondere einschließlich spezifischer Protokolle für die Entfernung von Allergenen, ist von entscheidender Bedeutung, um eine Kreuzkontamination von Lebensmitteln zu verhindern, vor allem in Fällen, in denen es nicht möglich ist, die Produktionslinien zu trennen. Diese spezifischen Protokolle erfordern die Verwendung von Allergenprodukten. Dies erweist sich als keine leichte Aufgabe. Auch in diesen Fällen können Enzyme einen wichtigen Beitrag leisten. Allergene sind Proteine und können daher durch die Wirkung von Enzymen aufgespalten werden, wodurch die Effizienz der Allergenentfernung durch Reinigungsmittel erhöht wird. Bei einem Produktwechsel muss immer überprüft werden, ob der Schutzbereich frei von Allergenen ist. Wenn die Abwesenheit von Allergenen nicht garantiert werden kann, muss das mögliche Vorhandensein des Allergens gemäß den EU-Vorschriften (Verordnung (EU) 1169/2011) korrekt auf dem Etikett angegeben werden (vorsorgliche Kennzeichnung), um ein hohes Gesundheitsschutzniveau für die Verbraucher zu erreichen und ihnen ein Höchstmaß an Informationen zu bieten.

In der Lebensmittelindustrie erhöht die Verwendung enzymatischer Reinigungsmittel die Sicherheit des Endprodukts, indem sie dazu beitragen, das Vorhandensein von Biofilmen und Allergenen auf wirksame und umweltfreundlichere Weise zu vermeiden.

Reinigung von Membranen

Ein weiterer wichtiger Einsatzbereich der Enzymatik ist die Hygiene von Membranen, die in bestimmten Lebensmittelindustrien verwendet werden. Heute sind Membrantrennverfahren in der Milchwirtschaft aufgrund ihrer zahlreichen Vorteile weit verbreitet: Einfachheit, hohe Selektivität, milde Betriebsbedingungen, leichte Skalierbarkeit und geringerer Energieverbrauch im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren.

Membranen sind halbdurchlässige und selektive Barrieren für den Durchgang verschiedener Substanzen, die regelmäßig konditioniert werden müssen, um Schmutz sowohl von ihrer Oberfläche als auch aus dem Inneren ihrer porösen Struktur zu entfernen, damit sie ihre Eigenschaften wiedererlangen. Die Reinigung von UF-Membranen ist beispielsweise ein wichtiger Schritt im gesamten Produktionsprozess in der Lebensmittelindustrie. In der Regel müssen die Reinigungsprotokolle täglich durchgeführt werden, weshalb es wichtig ist, gute Reinigungsprotokolle zu entwerfen, die von der Art der Verschmutzung (an der Oberfläche oder im Inneren der Porositätsstruktur) und von der Zusammensetzung des Lebensmittels selbst abhängen. Beides führt zu einer Verringerung des Permeatflusses in den Membranen, was zu einer Verringerung der Gesamtproduktion und der Lebensdauer der Membranen sowie zu einem Anstieg der Betriebskosten und des Energieverbrauchs führt.

Die Verwendung enzymatischer Produkte bei der Membranreinigung ist aufgrund ihrer natürlichen Eigenschaften eine geeignete und weniger aggressive Option im Vergleich zu anderen Produkttypen; sie erfordern keine hohen Temperaturen und mildere pH-Werte. Auf diese Weise können wir darauf hinweisen, dass die Verwendung enzymatischer Produkte einen geringeren Energieverbrauch (aufgrund des Betriebs bei milden Temperaturen) und eine minimale Umweltbelastung (da es sich um biologisch abbaubare Verbindungen handelt) bedeutet sowie die Nutzungsdauer der Membranen verlängert.

Effizienz, umweltfreundliche Alternativen und Erschwinglichkeit sind die Merkmale, nach denen die Lebensmittelindustrie bei ihren Reinigungsprotokollen sucht. Enzymprodukte passen perfekt zu dieser Prämisse und stellen eine Alternative zu anderen chemischen Produkten dar. Neben der Bekämpfung von Biofilmen und Allergenen sowie der Reinigung von Membranen eignet sich diese Art von Produkten auch für allgemeine Reinigungsaufgaben in der Lebensmittelindustrie, indem sie Schmutz von verschiedenen Arten von Oberflächen in Produktionsanlagen entfernen.

Literaturverzeichnis

• Chapman, J., Ismail, A. E. & Dinu, C. Z. (2018) Industrial Applications of enzymes: recent advances, techniques and outlooks. Catalyst 8 (238)
• Kirk, O., Vedel Borchert, T. & Crone Fuglsang, C. (2002), Industrial enzyme applications. Aktuelle Stellungnahme zur Biotechnologie 13: 345-351.
• Kumar, D., Savitri, N., Thakur, N., Verma, R & Bhalla T.C. (2008) Microbial proteases and apllication oas Laundry detergent additive. Forschungsjournal für Mikrobiologie 3 (12): 661-672.
• Olsen, H. S. & Falholt, P. (1998) Die Rolle von Enzymen in der modernen Waschmittelindustrie. Zeitschrift für Tenside und Detergenzien 1: 555-567.
• Delhalle, L., Taminiau, B., Fastrez, S., Fall, A., et al., (2020). Bewertung der enzymatischen Reinigung von Lebensmittelverarbeitungsanlagen und der bakteriellen Mikroflora von Lebensmittelprodukten. Frontiers in Microbiology. Doi: 0.3389/fmicb.2020.01827.
• Corbatón Báguena, María José (2015). Reinigung von Ultrafiltrationsmembranen, die in der Lebensmittelindustrie eingesetzt werden, mittels nicht-konventioneller Techniken und Charakterisierung des Membranfoulings. Doctoral thesis UPV.
• Verordnung (EU) 11669/2011 des Europäischen Parlaments und des Rates (25. Oktober 2011)

Autoren

Mercè Berga

Abschluss in Biologie an der Universität von Girona. Promotion in Meeresbiologie und Limnologie an der Universität Uppsala (Schweden) mit der Arbeit „Assembly mechanism in aquatic bacterial communities – The role of disturbances, dispersal and history“. F&E-Mikrobiologin bei CHRISTEYNS Spanien.

Joan Estornell

Marketingleiter Lebensmittelhygiene bei CHRISTEYNS. Bachelor in Informationswissenschaften. Master in Advertising Account Management. Strategische Innovation in Marketing und Werbung (UAB). Master in Digital Business. Digitales Marketing (ESIC Business & Marketing School). Lehrgang zum Hygieniker in der Lebensmittelindustrie (Betelgeux).